上海地鐵三菱盾構再制造技術研究

史海舟（上海地鐵盾構設備工程有限公司，上海 200031)

為了滿足地鐵建設的需要，通過采用再制造技術，利用原盾構結構件和零部件，使其恢復性能和指標，達到節約成本、循環利用的目的。本文主要介紹了上海地鐵盾構設備工程有限公司對原Φ6 340mm三菱盾構進行再制造，通過再制造達到原盾構的主要技術性能，從而滿足上海軌道交通區間隧道的各項施工條件。

1 三菱盾構再制造關鍵技術

結合上海地鐵施工要求，針對三菱盾構的刀盤結構、刀盤驅動、盾構切口環、管片拼裝機、螺旋輸送機等多個方面提出再制造盾構技術規格，通過研究利用部件檢測和改造技術，開展系統匹配設計，達到利用資源、節能減排、降低建設投資的目標。

盾構在施工過程中會遇到各種不同地層，作為關鍵部位的刀盤的性能直接關系到隧道施工的成敗、開挖效率以及盾構使用壽命。為了提高刀盤表面的耐磨性、耐腐蝕性、耐高溫和抗疲勞等性能，可以運用表面工程技術和激光再制造技術。同時為了判斷機械零部件的缺陷情況，可以運用超聲波探傷技術來確定該零部件的實際狀況，確定具體再制造方案。

1.1 表面工程技術

通過傳統電鍍、熱噴涂或電噴涂工藝技術實現零件關鍵工作面的細微尺寸、粗糙度、硬度等性能的改進。其中熱噴涂技術具有附著力強、涂層厚度便于控制、在盾構機土沙密封摩擦面的修復中具有較大應用前景。

1.2 超聲波探傷

超聲探傷對于盾構關鍵結構件本體、透焊的連接焊縫質量缺陷都有較高的識別率。因此，在新制結構件和再制造結構件質量控制中得到廣泛應用。

1.3 激光熔覆技術

激光熔覆技術能夠形成優于基體材料性能的熔敷層。采用激光顯微仿形熔覆技術修復和強化零件表面，能賦予零件耐高溫、防腐蝕、耐磨損、抗疲勞等性能。這種技術可以應用于盾構的刀盤、螺旋機系統的再制造之中。

2 三菱盾構再制造技術研究

2.1 刀盤及刀盤驅動再制造

刀盤的再制造技術是盾構再制造的重點和難點。刀盤在盾構推進過程中容易發生變形、開裂、磨損等問題，刀盤外形輪廓的幾何形狀難以維持，修復難度較大。三菱盾構刀盤及刀具示意圖見圖 1。

圖1 三菱盾構刀盤

刀盤的再制造，首先采用超聲波探傷對結構焊縫與應力集中點進行檢查，確保無內在隱患；同時，刀盤的開挖直徑從Φ6 340mm擴大到Φ6 750 mm，經設計校核，采取了箱體外接，新做盤緣結構，把刀盤開口率控制在 40% 左右，對刀具進行了重新布置。

刀盤驅動系統主要由回轉軸承、驅動變速箱、驅動馬達等組成。其中回轉軸承價格昂貴且主要依靠進口，但該部件設計余量較大。

對盾構回轉軸承的三維檢測是通過激光跟蹤儀來實現的。激光跟蹤儀通過靜態測量和動態測量相結合來獲得所測面的偏差（如圖 2），通過適當的數學模型分析計算得出相關面的平面度、圓柱度、垂直度、平行度等數值，最終得到盾構回轉軸承的三維檢測數據。

圖2 外圈反推力滾道面測量點偏差

根據盾構回轉軸承的三維檢測結果，結合超聲波探傷、著色探傷以及表面硬度檢測，對回轉軸承各零部件進行表面處理、更換密封件。

2.2 盾構切口環再制造

受隧道外徑的放大，在考慮切口環結構時需研究與原利用部件的接口設計。利用原盾構刀盤回轉軸承和刀盤驅動組再制造盾構切口環組件主要有以下 3 種方案：

（1）僅利用原刀盤回轉軸承和 6 個驅動組，刀盤驅動箱、切口環等全部結構件重新設計制造。

（2）利用原刀盤驅動總成，將刀盤驅動箱體連同回轉軸承、刀盤驅動組整體從切口環上分離出來，經檢測、修復后安裝到與之匹配的新制盾構切口環上。

（3）將原盾構機切口環整體經檢測、評估、維修后，通過環向包覆新制圓弧鋼板外殼、焊接、機加工等工藝，整體再制造成新盾構切口環組件。

3 種盾構切口環組件再制造方案效果比較見表 1。

表1 3種盾構切口環組件再制造方案效果比較

經分析比較，由表 1 可知，三菱盾構切口環再制造優選方案選方案 2。

為實施該方案需要對原切口環結構進行充分評估，主要分析以下關鍵參數：

（1）原刀盤驅動箱體結構件工作負載及繼續使用風險分析。原盾構刀盤驅動箱體結構需結合工況負載和局部應力分布情況進行分析。根據三菱盾構數據采集系統歷史施工數據分析發現，該盾構已完成項目實際驅動負載最大值約為設計值的 80%，平均負載約為 40%。根據負載情況對原盾構刀盤驅動箱體進行校核，較大應力點的負載均在材料許用應力以內，且有較大富余，故該結構件可以繼續安全使用。

（2）原刀盤驅動箱體結構件現狀評估。原刀盤驅動箱體結構件目測無明顯缺陷，采用超聲波探傷，未發現重大缺陷。拆卸前利用激光掃描儀對原切口環進行掃描，擬合得出原切口環外圓面三維坐標，并與中心軸線進行校核，以回轉軸承安裝面為基準，在刀盤驅動箱體與切口環連接位置設定基準，便于后續安裝。

（3）新制切口環結構件和刀盤驅動箱體二次安裝定位。根據再制造盾構設計要求和原盾構刀盤驅動箱體拆卸清理后安裝面實測尺寸，制作新切口環結構件，新制切口環結構件經驗收合格后，與刀盤驅動箱體依據預留定位基準進行測繪調校，最后焊接定位并檢驗焊縫質量。

2.3 拼裝機再制造

拼裝機是掘進過程中裝配隧道管片的機械手。結合上海新線項目的特點，需對拼裝機實施六自由度動作功能改造，增加平面回轉調節功能。

2.4 螺旋輸送機再制造

螺旋輸送機通過調節排渣速度控制土艙及開挖面壓力。由于螺桿葉片的磨損使得葉片與筒體內徑間隙過大，影響出土效率；原螺桿焊接位置容易斷開造成故障，需對螺旋輸送機螺桿連接形式進行改造。

螺旋機螺桿的檢測與修復：外形直線度應符合圖紙的技術要求，葉片外圓和端面按要求堆焊耐磨層，葉片焊縫探傷。

螺旋機筒體的檢測與修復：檢查筒體內壁磨損情況，筒體內表面按要求堆焊硬質合金層，更換殼體法蘭連接處的密封圈。

螺旋機出土閘門的檢測與修復：檢查出土閘門板和滑槽的平面度、平行度，雙油缸控制的還需作工作的同步性檢查。

3 結 語

再制造技術也稱綠色再制造技術，是先進制造技術的一個重要組成部分和發展方向。盾構再制造的本質是修復，但它不是簡單的維修。再制造的內核是采用制造業的模式搞維修，是一種高科技含量的修復術，而且是一種產業化的修復，因而再制造是維修發展的高級階段，是對傳統維修概念的一種提升和改寫。通過對三菱盾構再制造技術開展探索和研究，形成了一套行之有效的盾構再制造技術方案，滿足了上海軌道交通建設高峰期間對盾構的需求，同時積累了大量寶貴經驗，為今后在基礎建設行業推廣綠色經濟和循環經濟做了有益的嘗試。